I E K 專欄混合動力車發展趨勢探討宋德洤一前言在漸趨嚴格的車輛耗能與二氧化碳排放標準, 以及電動車相關政策兩股力量推拉之下, 車廠已紛紛投入電動車輛的研發觀察電動車產品開發狀況, 雖然各大車廠已相繼投入插電式混合動力車 (PHEV) 或純電動車 (BEV) 的開發, 由於量產時程大多於

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暇隗
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混合動力車發展趨勢探討宋德洤一前言在漸趨嚴格的車輛耗能與二氧化碳排放標準, 以及電動車相關政策兩股力量推拉之下, 車廠已紛紛投入電動車輛的研發觀察電動車產品開發狀況, 雖然各大車廠已相繼投入插電式混合動力車 (PHEV) 或純電動車 (BEV) 的開發, 由於量產時程大多於 2010 年後, 另囿於電池成本高以及充電設施佈建非短期可達成, 混和動力車 (HEV)

提供價格接受度高的節能產品為車廠發展的方向, 本文即在於探討混合動力車的發展趨勢二混合動力技術簡介依照內燃機引擎與馬達功率配比, 混合動力車可大略區分為弱混合 (micro hybrid) 中混合 (mild hybrid) 強混合(full hybrid) 弱混合系統之主要功能在於控制引擎的熄火與啟動, 某些系統在搭配較大的電池容量之下亦提供再生制動 (regenerative

1 混合動力車發展趨勢探討宋德洤一前言在漸趨嚴格的車輛耗能與二氧化碳排放標準, 以及電動車相關政策兩股力量推拉之下, 車廠已紛紛投入電動車輛的研發觀察電動車產品開發狀況, 雖然各大車廠已相繼投入插電式混合動力車 (PHEV) 或純電動車 (BEV) 的開發, 由於量產時程大多於 2010 年後, 另囿於電池成本高以及充電設施佈建非短期可達成, 混和動力車 (HEV) 在近期內仍將是電動車的主流雖然目前 Toyota 混合動力車全球銷售量已突破 200 萬輛, 但整體而言混合動力車的市場滲透率仍低, 對於發展電動車輛所欲達到節能減碳的助益有限, 售價偏高為阻礙混合動力車普及的主要原因, 目前全球混合動力車市場以北美為主, 主推車型為價格較高的強混合動力車種, 因此在擴大市場基礎的目標之下, 如何透過不同形式的混合動力技術組合, 提供價格接受度高的節能產品為車廠發展的方向, 本文即在於探討混合動力車的發展趨勢二混合動力技術簡介依照內燃機引擎與馬達功率配比, 混合動力車可大略區分為弱混合 (micro hybrid) 中混合 (mild hybrid) 強混合(full hybrid) 弱混合系統之主要功能在於控制引擎的熄火與啟動, 某些系統在搭配較大的電池容量之下亦提供再生制動 (regenerative braking) 的功能, 即透過回收車輛的動能達到輔助煞車的效果弱混合系統無法以純電動模式驅動車輛, 屬於此類的混合動力車款包括 Chevrolet Silverado GMC Sierra Hybrid 在技術方面, 弱混合系統通常採用透過皮帶與引擎曲軸連接的啟動發電機 (Belt driven Starter Generator(BSG) 或稱 Belt driven Integrated Starter Generator(B-ISG)), 圖 1 為於雪鐵龍車款上的 Valeo 啟動發電機圖 1 用於雪鐵龍車款上的 Valeo 啟動發電機 60

2 中混合系統擁有較強固的馬達 / 發電機, 其功能除了控制引擎的熄火與啟動, 並可提供引擎額外的動力輔助, 中混合系統通常具有再生制動的功能中混合系統與弱混合系統相同, 無法以純電動模式驅動車輛, 屬於此類的混合動力車款包括 Saturn Vue Chevrolet Malibu 中混合系統之啟動發電機可直接與引擎曲軸結合或透過皮帶驅動連結, 如 GM 的 Belt Alternator Starter(BAS)( 如圖 2 所示 ) 圖 2 Continental 2 的 ISG 中混合系統 ( 左 ) 以及通用汽車 BAS BAS 的中混合系統 ( 右 ) 強混合系統可單獨由內燃機電動馬達或兩者動力源的組合來驅動車輛, 屬於此類的混合動力車款包括 Toyota Prius Ford Escape Hybrid Lexus RX400h, 以及新一代的 Honda Insight 在技術方面, 強混合系統主要包括 Toyota 所開發的 Hybrid Synergy Drive( 如圖 3 所示 ); 由 General Motors Chrysler Daimler 與 BMW 於 2005 年共同開發完成的雙模混合 (Two-Mode Hybrid) 動力系統 ( 如圖 4 所示 ); 以及 Honda 的 Integrated Motor Assist(IMA) 系統 ( 如圖 5 所示 ) 圖 33 Toyota HSD 動力系統 ( 左 ) 以及馬達與行星齒輪組 ( 右 ) 圖 4 GM 的雙模混合動力傳動模組 ( 左 ) 以及馬達與行星齒輪組 ( 右 ) 來源 :priuschat.com 61

3 圖 5 Honda IMA 混合動力系統 ( 左 ) 與其馬達 / 發電機 ( 右 ) 來源 :GREENCAR.COM 表 1 比較不同的混合動力系統的規格與屬性, 較高的馬達功率操作電壓以及較大的電池容量將直接反應於系統的成本, 然而由表中可見強混合系統相較於弱混合系統的成本溢價, 遠超過其節油成效表 1 不同混合動力型式之比較規格 / 屬性弱混合中混合強混合馬達 2.5kW-5kW 5kW-20kW 50kW-150kW 動力電池容量 - 0.5kWh-1kWh 1.3kWh-3.0kWh 操作電壓 12V 36V 42V 36V- 200V- 啟動 / 熄火有有有再生制動部分中度完全動力輔助無次要主要節油率 5%-10% 15%-40% 25%-50% 成本溢價美金 300 元美金 1,900 元美金 4,500 元來源 :Frost & Sullivan(2009);IEK 整理 (2009/10) 三市場現況與趨勢 2008 年全球混合動力車銷售量為 449,626 輛, 前五大市場依序為美國日本加拿大英國與荷蘭 ( 如圖 6 所示 ), 以美國市場而言, 歷年來的混合動力車滲透率有略為上升的趨勢, 然而尚未超過 3.5%( 如圖 7 所示 ) 300, , , , , ,000 50, ,937 48,714 17,911 14,137 11,080 圖年全球混合動力車銷售情形 hybridcars IEK 2009/10 來源 :hybridcars;iek 整理 (2009/10) 62

4 Green Car Congress 圖 7 美國混合動力車市場滲透率來源 :Green Car Congress 對於混合動力車未來的發展, 現今驅動車輛動力系統朝向高效率發展的主要因素為主要國家或地區因應全球暖化所制定的車輛耗能與 CO2 排放標準, 從技術的角度而言, 車輛電動化是必然的趨勢, 然而從商業面考量, 成本一直以來為電動車普及化的主要障礙, 特別是電池的成本偏低的電動車市場滲透率亦難使車廠符合如美國所訂定的企業平均油耗 (Corporate Average Fuel Economy; CAFE) 標準, 因此車廠對應的原則為以最低的成本取得最大的燃油經濟性, 短期內, 弱混合引擎小型化以及渦輪增壓將為所有車廠降低排放的主要技術 ( 如圖 8 所示 ) Forst & Sullivan 圖 8 車廠因應近期 CO2 排放標準之主要技術來源 :Forst & Sullivan 63

5 在前述動力技術發展趨勢之下, 依照 Frost & Sullivan 的全球混合動力車的市場情景, 弱混合動力車將會有大幅度的成長,2015 年全球混合動力車銷售量將近 1,000 萬輛, 其中弱混合動力車佔比有機會達到 78%, 接近 800 萬輛 ( 如圖 9 所示 ) 在美國市場方面, 雖然強混合動力技術成熟, 預期強混合動力車仍將主導美國市場, 而更具價格優勢的中混合動力車成長將會加快, 價格便宜的弱混合動力車 (start-stop) 在美國市場將會有高度的成長空間 ( 如圖 10 所示 ) Frost & Sullivan 2008 圖 9 混合動力車全球市場情景來源 :Frost & Sullivan(2008) Frost & Sullivan 圖年美國市場各類型混合動力車銷售預測來源 :Frost & Sullivan(2009) 64

四國內混合動力技術發展現況國內在混合動力技術的發展方面, 工研院機械所自民國 91 年開始執行能源局委託之小型淨潔車輛與關鍵技術發展五年計畫, 進行小型 18kW 引擎與電動混合動力系統與 100kW 動力輔助型混合動力系統的開發, 其中小型 18kW 引擎與電動混合動力系統之配置屬於並聯式混合系統 (parallel hybrid

與雛型機 ( 右 ) 另外在 100kW 動力輔助型混合動力系統方面, 系統架構如圖 12 所示, 其中動力部分由 2.0L 的汽油引擎與 18kW 動力馬達 / 發電機組成, 驅動時機為加速動力輔助或低速啟動時, 發電時機為電池處於低充電狀態或車輛煞車回充 (regenerative braking), 此系統經載具車實車測試, 油耗為每公升行駛可達 13.

6 四國內混合動力技術發展現況國內在混合動力技術的發展方面, 工研院機械所自民國 91 年開始執行能源局委託之小型淨潔車輛與關鍵技術發展五年計畫, 進行小型 18kW 引擎與電動混合動力系統與 100kW 動力輔助型混合動力系統的開發, 其中小型 18kW 引擎與電動混合動力系統之配置屬於並聯式混合系統 (parallel hybrid system)( 如圖 11 所示 ), 由一具 375cc 稀油燃燒引擎搭配 10kW 啟動發電機, 整合等效功率 20kW, 搭載於 600kg 載具車之油耗達每公升行駛 25 公里, 較搭載原汽油引擎之油耗每公升行駛 18 公里, 提升能源效率 40% 圖工研院機械所發展的小型 18kW 並聯式混合動力系統架構 18kW ( 左 ) 與雛型機 ( 右 ) 另外在 100kW 動力輔助型混合動力系統方面, 系統架構如圖 12 所示, 其中動力部分由 2.0L 的汽油引擎與 18kW 動力馬達 / 發電機組成, 驅動時機為加速動力輔助或低速啟動時, 發電時機為電池處於低充電狀態或車輛煞車回充 (regenerative braking), 此系統經載具車實車測試, 油耗為每公升行駛可達公里水準, 較同等級汽油車省能 20% 12 圖 12 工研院機械所開發之動力輔助混合動力電動車系統架構 ( 左 ) 以及搭配的 18kW 馬達 / 發電機 ( 右 ) 工研院機械所後續在小型 18kW 引擎與電動混合動力系統基礎上進行先進串並聯混合動力系統開發, 系統由一具 375cc 稀油燃燒引擎搭配 8kW 的馬達 / 發電機, 以及 5kW 啟動發電機 65

7 (ISG) 8kW 的馬達 / 發電機透過負責切換串並聯模式的電控離合器與引擎結合, 當離合器脫離, 系統為串聯模式, 引擎帶動 5kW 啟動發電機對電池充電 ; 當離合器接合後, 引擎與馬達可同時輸出動力驅動車輛, 引擎同時帶動啟動發電機對電池充電此系統搭載於 950 公斤載具車, 於市區行車型態下 (ECE40), 整車油耗水準達每公升汽油行駛 27 公里, 較同等級汽油引擎車油耗改善 50~60% 五結論為擴大消費者的接受度, 車廠尋求具有成本效益的節能方案, 弱混合系統技術複雜度低, 容易與現有車輛整合, 且成本增加幅度不大, 此外在與其他先進引擎技術搭配下, 節能效果亦能達到強混合動力車的水準, 容易大規模普及, 成為主要的技術選項, 預期市場將有龐大需求國內研究法人自民國 91 年開始投入強混合與中混合系統的研發, 已累積相當的技術與經驗, 並透過與業界的合作建構產業界的技術能量, 目前並投入弱混合系統 ( 怠速熄火 (idle-stop)) 相關技術的研究, 奠定了產業基礎從產業化的角度來看, 由於應用實績為整車廠在選擇供應商時的重要考量因素, 因此創造內需市場對於電動車產業發展有很重要的幫助, 目前國內除了引進 Toyota Prius 與 Lexus 數款強混合動力車, 以及 Smart Fortwo MHD 弱混合動力車外, 國產車方面並未有任何形式的混合動力車款, 從國內運輸部門節能減碳與促進國內產業建立混合動力技術觀之, 促進混合動力車的國產化應為政府努力的方向雖然目前國內混合動力車貨物稅減半徵收, 但國內並未生產混合動力車, 無法對國內產業起激勵作用, 而進口車的售價亦非一般民眾可以負擔, 短期內政府可視弱混合系統為目標, 首先將其列入電動車獎勵範圍, 同時透過車輛怠速熄火的立法與提高車輛耗能與排放標準, 促使國內車廠導入弱混合技術, 另外投入經費加速研究法人與業界共同開發具有成本競爭力的產品, 創造環保與產業雙贏的局面 ( 本文作者現任工業技術研究院產業經濟與趨勢研究中心 IEK 副研究員 ) 66

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